(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス中に、Ｔｉ：４５〜６５体積％および残部：Ｎｉであって、Ｘ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計が、その原料粉末であるＴｉ粒子およびとＮｉ粒子の混合粉末のＸ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計に対し５〜５０％であるＴｉＮｉ相が、全体の１０〜５０体積％分散することを特徴とする亀裂進展抑止部材。
【請求項２】
前記マトリックスがＣｕもしくはＣｕ合金、またはＡｌもしくはＡｌ合金であることを特徴とする請求項１に記載の亀裂進展抑止部材。
【請求項３】
請求項１または２に記載された亀裂進展抑止部材の製造方法であって、Ｔｉ：４５〜６５体積％および残部：Ｎｉであって、Ｘ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計が、その原料粉末であるＴｉ粒子およびとＮｉ粒子の混合粉末のＸ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計に対し５〜５０％であるＴｉＮｉ粉：１０〜５０体積％にマトリックス粉：残部を混合して圧縮成形し、焼結することを特徴とする亀裂進展抑止部材の製造方法。
【請求項４】
前記ＴｉＮｉ粉が、Ｔｉ粉：４５〜６５体積％およびＮｉ粉：残部からなる混合粉に対して２０分〜５時間メカニカルアロイング処理を施した粉末であることを特徴とする請求項３に記載の亀裂進展抑止部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高エネルギーの衝撃などが負荷された際の衝突による亀裂の進展を抑止する機能を有し、航空機、スペースシャトル等の宇宙移動手段などの材料に用いて好適な亀裂進展抑止部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
亀裂進展抑止部材では、通常時は一般の構造物としての機械的特性を有するが、万一、何らかの障害物などに衝突して高エネルギーの負荷が加わった際に、衝突の熱エネルギーにより亀裂先端が局部的に高温になり、超塑性現象を発現する金属間化合物が生成し、この金属間化合物が亀裂の進展を抑止する。このような亀裂進展抑止部材は、航空機の圧カバウンダリーの脆性破壊防止や、宇宙漂流物対策等で適用が検討されている。
【０００３】
このような亀裂進展抑止部材としては、「傾斜機能材料の二一ズ調査」（平成３年３月；（社）未踏科学技術協会）で開示されたものがあり、以下のような方法で製造される。まず、Ｔｉ粒子、Ａ１２０３粒子、ＴｉウイスカおよびＮｉウイスカを予め体積分率を制御して混合する。この微細混合物を、粉末スプレー積層法で外面をＴｉ、内面をＡ１２０３として外内面の材料間組成が一方から他方へ傾斜して変化するように例えば管材の表面に成形した後、冷間静水圧形成（ＣＩＰ）および熱間静水圧成形（ＨＩＰ）を用いて比較的低温・高圧の処理を行う。この製法による亀裂進展抑止部材において、ウイスカは、マトリックスの短繊維強化、強靭性化する働きを有するとともに、部材に高エネルギーの負荷が加わった際、局部的な発熱によりＴｉとＮｉの共晶温度（９６０℃）に達し、Ｔｉ−Ｎｉ合金が生成されることにより亀裂の進展を抑止するという機能を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の組織構造を有する亀裂進展抑止部材では、衝突などの高エネルギーの負荷が加わったときに所望の合金のみが形成されるとは限らない。すなわち、マトリックスに分散したＴｉとＮｉが反応してＴｉ−Ｎｉ合金が生成されるだけではなく、ＴｉおよびＮｉとマトリックス合金との反応も生じ、各種の生成物が形成され易い。このような生成物は、衝突による亀裂進展の抑止に寄与するＴｉ−Ｎｉ合金の生成量を減少させたり、新たな亀裂進展の起点となる可能性を高くするため好ましくない。したがって、マトリックス合金中に所望の合金組成を分散しただけの組織構造では、亀裂進展を抑止する効果を十分発揮することができない恐れがある。
【０００５】
さらに、粉末スプレー積層法は傾斜組成を持った材料の成形法として有効な手段であるが、厚さのある大型の構造部品、三次元的に造形された複雑形状部品の成形法には向かない。また、成形後の固化および繊密化の手段としてＣＩＰおよびＨＩＰは極めて有効であるが、ゴム型あるいは缶などの加圧媒体への封入の工程を必要とし、最終的な寸法精度を得るための機械加工が必要であるため、全体の製造工程が煩雑となる。
【０００６】
したがって、本発明は、高エネルギの負荷が加わったときにマトリックスとの反応生成物を形成せず、所望のＴｉ−Ｎｉ合金が充分に形成されるとともに、製造工程を簡略化することができる亀裂進展抑止部材を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の亀裂進展抑止部材は、マトリックス中に、Ｔｉ：４５〜６５体積％および残部：Ｎｉであって、Ｘ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計が、その原料粉末であるＴｉ粒子およびとＮｉ粒子の混合粉末のＸ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計に対し５〜５０％であるＴｉＮｉ相が全体の１０〜５０体積％分散することを特徴としている。以下、本発明の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。
【０００８】
ＴｉＮｉ相：全体の１０〜５０体積％
マトリックス中のＴｉＮｉ相の体積比が１０％未満では、衝突による亀裂進展を防止するように機能するＴｉ−Ｎｉ合金の生成量が少なく、亀裂進展抑止の効果が得られない。ＴｉＮｉ相の体積比の増加に伴いＴｉ−Ｎｉ合金の形成量が多くなり亀裂進展抑止の効果は向上するが、ＴｉＮｉ相の体積比が５０％を超えると亀裂進展抑止の効果は高まるものの構造部材としての強度が低下する。よって、マトリックス中のＴｉＮｉ相の体積比は１０〜５０％とした。
【０００９】
ＴｉＮｉ相中のＴｉ：４５〜６５体積％
ＴｉＮｉ相中のＴｉが４５体積％未満の場合は、残部のＮｉが多くなり過ぎてＮｉとマトリックスとの各種反応生成物の形成が多くなる。一方、ＴｉＮｉ相中のＴｉが６５体積％を超えるとＴｉが多くなるためＴｉとマトリックスとの各種反応生成物の形成が多くなる。よって、ＴｉＮｉ相中のＴｉは４５〜６５体積％とした。
【００１０】
ただし、ＴｉＮｉ相中のＴｉとＮｉとが予め合金化していると、Ｔｉ−Ｎｉ合金生成によるエネルギーの吸収が行われず亀裂進展抑止の効果がなくなるので、ＴｉとＮｉは独立して存在している必要がある。さらに、ＴｉとＮｉが近接していないとＴｉ−Ｎｉ合金だけでなくＴｉもしくはＮｉとマトリックスとの反応生成物が形成されることとなる。したがってＴｉＮｉ相は、ＴｉとＮｉが交互に重なり合った微細な層状組織またはＴｉとＮｉが混合された非晶質組織であることが必要である。
【００１１】
微細な層状組織のＴｉＮｉ相は、ＴｉとＮｉとが常に近接した状態で維持できるため、高エネルギーの負荷が加わった際、Ｔｉ−Ｎｉ合金の生成が容易となるとともにマトリックスとの反応生成物の形成を防止でき、亀裂進展抑止の効果を高くすることができる。また非晶質組織のＴｉＮｉ相では、高エネルギーの負荷が加わった際、結晶質のＴｉ−Ｎｉ合金が晶出することによりエネルギーを吸収し亀裂進展を抑止する。
【００１２】
次に、本発明の亀裂進展抑止部材の製造方法は、上記亀裂進展抑止部材の製造方法であって、Ｔｉ：４５〜６５体積％および残部：Ｎｉであって、Ｘ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計が、その原料粉末であるＴｉ粒子およびとＮｉ粒子の混合粉末のＸ線回折におけるＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度の合計に対し５〜５０％であるＴｉＮｉ粉：１０〜５０体積％にマトリックス粉：残部を混合して圧縮成形し、焼結することを特徴としている。
【００１３】
微細な層状組織または非晶質組織を有するＴｉＮｉ粉は、Ｔｉ粉：４５〜６５体積％およびＮｉ粉：残部からなる混合粉に対して２０分〜５時間メカニカルアロイング処理を施すことで製造することができる。
【００１４】
上記製造方法によれば、メカニカルアロイング処理により、ＴｉとＮｉが層状に微細に分散する組織または非晶質合金の組織を得ることができ、また、粉末スプレー積層法やＣＩＰ、ＨＩＰと比べて極めて簡便である。ただし、メカニカルアロイング処理の時間が短すぎるとＴｉとＮｉの層状組織が得られず、ＴｉまたはＮｉのみの部分が残留した偏析の多いものとなり、亀裂進展抑止の効果が乏しくなる。一方、処理時間が長いと、ＴｉとＮｉが合金化してしまい亀裂進展抑止の効果が乏しくなる。このような観点から、処理時間は２０分〜５時間が望ましく、３０分〜４時間であればさらに好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
ＴｉＮｉ相の組織状態は、ＴｉＮｉ相、およびＴｉ粉末とＮｉ粉末を混合しただけの混合粉末について、Ｘ線回折を行った際のＴｉおよびＮｉのピーク強度を比較することで調べることができる。Ｘ線回折によるピーク強度の比較は、ＴｉもしくはＮｉの各々の元素のピーク全てについて比較することが望ましいが、ピーク強度の高い３つの線（３強線）のピーク強度のみで比較する。
【００１６】
Ｔｉ粉末とＮｉ粉末の混合粉末のＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度合計に対するＴｉＮｉ相のＴｉおよびＮｉの各々の３強線のピーク強度合計の比（以下、ピーク強度比と称する）が５０％を超えている場合は、ＴｉもしくはＮｉの偏析が残留している状態を示しており、高エネルギーの負荷が加わった際、効率よくＴｉ−Ｎｉ合金の反応生成が行われないばかりか、偏析したＴｉもしくはＮｉとマトリックスとの反応生成物が形成されることとなる。また、ピーク強度比が５％に満たない場合は、ＴｉとＮｉの合金化が進行している状態を示しており、亀裂進展抑止の効果が乏しくなる。したがって、ピーク強度比は、５〜５０％とする。
【００１７】
本発明の亀裂進展抑止部材は、粉末冶金法により製造することができる。すなわち、原料粉末としてＴｉ粉末、Ｎｉ粉末およびマトリックス粉末の混合粉を用い、混合粉を金型内で上下方向より圧縮成形した成形体を焼結する方法、混合粉をラバー等に封入して静水圧成形した成形体を焼結する方法、混合粉を缶等に封入して高温静水圧成形した後缶材を除去する方法、粉末押出し法により混合粉を押出し成形した成形体を焼結する方法等が挙げられる。
【００１８】
本発明の亀裂進展抑止部材のマトリックスとしては、軽量かつ高強度で、加工性の良好なものが好ましく、ＣｕもしくはＣｕ合金、またはＡｌもしくはＡｌ合金が好適である。たとえば、ＪＩＳ３３００「銅および銅合金継目無管」に規定される建築配管用銅管の無酸素銅・りん脱酸銅などの純Ｃｕ系、各種プラントの熱交換器管用のアドミラルティ黄銅（Ｃ４４３０）、アルミニウム黄銅（Ｃ６８７０）、キュプロニッケル（Ｃ７０６０，Ｃ７１５０，Ｃ７１６４）等のＣｕおよびＣｕ合金、また加工性に優れる純Ａｌ（ＪＩＳ１０００系）、耐熱性・強度に優れるＡｌ−Ｃｕ系（２０００系）、耐食性・加工性に優れるＡｌ−Ｍｇ系（３０００系）、耐食性・押し出し性に優れるＡｌ−Ｍｇ−ｓｉ系（６０００系）、溶接性・強度に優れるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（７０００系）等のＡｌおよびＡｌ合金が挙げられる。
【００１９】
【実施例】
以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１］
原料粉として、Ｔｉ粉（平均粒度：３０μｍ）、カーボニルＮｉ粉（平均粒度：１μｍ）を使用し、５０体積％のＴｉ粉をＮｉ粉に配合して混合した後、メカニカルアロイング処理を行った。メカニカルアロイング処理は、凝着防止のためメタノールを添加したＡｒ雰囲気中で、原料粉の投入量を５００ｇ、処理時間を０．１〜４時間として行った。得られたＴｉＮｉ相およびメカニカルアロイング処理前の混合粉について、それぞれＸ線回折を行い、ＴｉとＮｉの３強線のピーク強度の合計を測定した結果を表１に示す。また、ＴｉＮｉ相の組織状態の評価を表１に併せて示す。さらに、図１および図２に、メカニカルアロイング処理時間が２時間および４時間のＴｉＮｉ相の組織写真を示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
図１および図２から判るように、処理時間が２時間では、未反応のＴｉとＮｉが層状および非晶質の状態で微細に分散した組織、処理時間が４時間では、ＴｉとＮｉが非晶質の状態で微細に分散した組織が得られた。また、図示は省略したが、処理時間が３０分では未反応のＴｉとＮｉが層状に微細に分散した組織が得られた。この結果により、メカニカルアロイング処理の時間を３０分〜４時間とすることで、層状組織または非晶質組織からなる所望のＴｉＮｉ相が得られることが確認された。なお、メカニカルアロイング処理の時間を２０分〜５時間とすることでも層状組織または非晶質組織からなるＴｉＮｉ相が得られるものと推測される。
【００２２】
また、表１の結果から、ＴｉＮｉ相の粉末Ｘ線回折の３強線のピーク強度の合計が、メカニカルアロイング処理前の単純混合物の３強線のピーク強度の合計の５〜５０％の強度比となるようにメカニカルアロイングを行うことにより、ＴｉとＮｉが層状に微細に分散する組織または非晶質合金の組織を呈し、合金化が不完全なＴｉＮｉ相が得られることが判った。
【００２３】
［実施例２］
粒度：８８μｍ以下の電解Ｃｕ粉末に、実施例１において２時間のメカニカルアロイング処理を行ったＴｉＮｉ相からなる粉末を体積比で１０％、３０％、５０％をそれぞれ配合し、混合した後、ホットプレスを用い焼結固化した。素材の形状は直径５０ｍｍで高さが５ｍｍの円板状とし、ホットプレス条件は、ＣｕマトリックスとＴｉＮｉ相が著しく反応しない温度範囲の６５０℃、保持時間３０分間、雰囲気５×１０−２Ｔｏｒｒの真空中で、加圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ２で行った。試料の評価は、素材から切り出した１０×１０×５ｍｍの試験片表面に電流３０〜３５Ａ、照射時間が１〜４秒の範囲で高エネルギーのレーザを照射した後、照射部の切断面におけるＴｉＮｉ合金の形成状況をＸ線回折により分析した。
【００２４】
図３〜図５は、上記試料のレーザ照射部分周辺のＸ線回折パターンを示すチャートである。これらのチャートから明らかなように、何れの試料についてもＣｕマトリックスとＴｉおよびＮｉとの反応物は観察されなかった。また、いずれの試料についても、ＴｉＮｉ相がレーザのエネルギーにより合金化したＴｉ−Ｎｉ合金（◎印）が認められ、本発明におけるＴｉＮｉ相の効果が確認された。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、マトリックス中に、ＴｉとＮｉが微細な層状組織または非晶質組織であるＴｉＮｉ相が分散したものであるから、衝突等の高エネルギー負荷が発生した際、ＴｉとＮｉが確実に反応してＴｉ−Ｎｉ合金を形成し、上記エネルギーを吸収するとともに、ＴｉもしくはＮｉとマトリックスの反応生成物の形成を防止でき、効率よく亀裂進展を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例の金属組織を示す図であって、２時間のメカニカルアロイング処理を行ったときのＴｉＮｉ相を示すものである。
【図２】  本発明の実施例の金属組織を示す図であって、４時間のメカニカルアロイング処理を行ったときのＴｉＮｉ相を示すものである。
【図３】  本発明の実施例における試料のレーザ照射部分周辺のＸ線回折パターンである。
【図４】  本発明の実施例における試料のレーザ照射部分周辺のＸ線回折パターンである。
【図５】  本発明の実施例における試料のレーザ照射部分周辺のＸ線回折パターンである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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